Генераторная установка с импульсной системой стабилизации показателей качества электроэнергии

Актуальность работы.

Увеличение спроса на автономные источники электроэнергии послужило причиной начала серийного производства генераторных установок малой мощности (до 20 кВт). Наибольшее распространение получили бензои дизель-генераторные установки, работающие на органическом топливе. Кроме того, ряд зарубежных и отечественных организаций выпускают гидрои ветроэнергетические установки, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Нестабильность показателей качества электроэнергии является существенной проблемой для всех типов генераторных установок, работающих с переменной нагрузкой. Особенно остро эта проблема стоит в установках на базе ВИЭ, в которых наряду с изменением нагрузки свойственно изменение скорости вращения первичного преобразователя энергии.

Анализ опыта проектирования и производства генераторных установок указывает на разнообразие зарекомендовавших себя на практике схемотехнических решений, которые в той или иной мере способны обеспечить нормированные показатели качества электроэнергии при определенных энергетических характеристиках. Наиболее перспективными в этом отношении считаются установки на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие наилучшие эксплуатационные характеристики. Стабилизация показателей качества электроэнергии в таких установках обеспечивается силовыми электронными преобразователями и цифровой системой регулирования.

Большой вклад в развитие силовых электронных преобразователей внесен отечественными учеными Н. Ф. Ильинским и В. Ф. Козаченко. В создании современной теории применения и практического использования силовых электронных преобразователей в электроэнергетике принимали участие В. В. Чи-биркин, А. В. Конюхов, В. А. Воронин, А. Е. Фёдоров. Значительный вклад в развитие проектирования и производства генераторных установок внесли М. П.

Головин и Я. И. Бляшко. Среди зарубежных ученных, данной тематикой занимались А. МхгсбЫ, Л. .ГоШшшегш, V. Яо§ ег, О. Gergaud, С. 8аис1етоп1, Ь. Ье-с1егся, В. КоЬуш, С. С1тиса, М. М. ЯасШезси.

Следует отметить, что количественная оценка показателей качества электроэнергии, а также влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики изучено недостаточно хорошо. В связи с этим разработка методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторных установок, разработка соответствующего оборудования для исследования, а также проведение самих исследований является весьма актуальной задачей.

Диссертация выполнена в рамках основного научного направления ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».

Цель и задачи работы.

Целью диссертации является теоретические и экспериментальные исследования влияния импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи.

1. Разработать аналитическое описание электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки.

2. Создать математическую модель для исследования режимов работы генераторной установки.

3. Провести моделирование режимов работы генераторной установки, исследовать влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дать количественную оценку показателей качества электроэнергии.

4. Выполнить экспериментальные исследования генераторной установки малой мощности для подтверждения достоверности основных положений диссертации.

5. Разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Методы исследования.

Исследования проводились с помощью уравнений математической физики, теории автоматического управления и методов теории электромеханического преобразования энергии. Инструментом для моделирования выбран пакет прикладных программ МАТЬАВ, представляющий собой универсальное средство для технических вычислений. Достоверность основных положений диссертации подтверждается сравнением результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Разработано уточненное математическое описание первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Получена математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Создана математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Предложены основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки с импульсной системой стабилизации.

Практическая значимость работы.

1. Разработана математическая модель для исследования режимов работы генераторной установки малой мощности.

2. Предложен комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторных установок малой мощности.

3. Получены энергетические и динамические характеристики, а также показатели качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.

4. Выработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Уточненное аналитическое описание, новая структурная схема и математическая модель первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса, полученная на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Уточненные аналитические выражения и математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Результаты исследования влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, количественной оценки показателей качества электроэнергии, диапазоны изменения нагрузки и скорости потока, а также аналитическая зависимость, а = f (ив) генераторных установок мощностью (4 20) кВт.

5. Комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторных установок малой мощности.

6. Основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки.

7. Содержание научно-обоснованных рекомендаций по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертации получили внедрение в опытно-конструкторскую работу «Разработка электроустановки для опорно-поворотного устройства», выполненной в 2008 — 2010 гг. НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» для ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также в проектные работы ЗАО «Электроагрегат» (г. Воронеж). Основные результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры электроэнергетики НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» (г. Воронеж) при подготовке инженеров по специальности 140 205 «Электроэнергетические системы и сети».

Внедрение результатов диссертации в производство, в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами, а также благодарностью от правительства Воронежской области, подписанной губернатором А. В. Гордеевым. (Приложение Е).

Апробация работы.

Диссертация обсуждалась и получила одобрение на семинарах кафедры робототехнических систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения диссертации рассматривались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009) — Международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2008, 2010, 2011), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View технологии National Instruments» (Москва, 2009), Международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж, 2010), Региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2010) и «Технологической конференции MATLAB и Simulink 2010» (Москва, 2010). Экспериментальная установка принимала участие в «XVIII областном конкурсе на соискание премий в области науки и образования для ученых высших учебных заведений и научных организаций» (Воронеж, 2009).

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах [8, 49 — 60], в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и 6 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка и 43 таблицы.